黃河流域水文站和氣象站蒸發皿蒸發量時空變化及其差異

趙梓琨，孫文義，2，穆興民，2，宋小燕，趙廣舉，2，高 鵬，2

(1.西北農林科技大學 黃土高原土壤侵蝕與旱地農業國家重點實驗室，陜西 楊凌 712100；2.中國科學院水利部 水土保持研究所，陜西 楊凌 712100；3.西北農林科技大學 水利與建筑工程學院，陜西 楊凌 712100）

蒸發皿蒸發量是研究水庫、湖泊等天然水體蒸發量和陸面潛在蒸發量的基本參考資料,是反映地表水熱環境變化的一個重要指標,在氣象、水文、農業灌溉、水資源評價以及水文模型模擬、水利水電工程規劃設計和管理中具有十分重要的參考價值。探究蒸發皿蒸發量變化趨勢及其原因對了解區域氣候變化、水循環過程和生態環境影響等方面具有重要意義。

近年來隨著全球氣候變暖,蒸發皿蒸發量在全球很多區域都呈顯著下降的趨勢,這與氣候模式預設的增溫導致潛在蒸發量增加的假設相反,此現象被稱為“蒸發悖論”。“蒸發悖論”的形成機制和歸因分析成為學術研究前沿熱點?；诖?國內外學者在蒸發皿蒸發量時空格局、變化趨勢、影響因子、原因分析等方面開展了大量研究,取得了一些重要認識。研究認為,“蒸發悖論”現象廣泛分布于全世界,如以色列［1］、意大利［2］、墨西哥［3］以及中國［4］等。不同研究者對此現象有不同的解釋,認為其主導因素不同。謝睿恒等［5］指出1961—2013 年中國蒸發皿蒸發量的下降趨勢主要受日照時數減小的影響。祁添垚等［6］對全國588 個氣象站1960—2005 年的氣象資料進行分析,發現大氣相對濕度增大是導致中國境內蒸發皿蒸發量下降的主要原因。區域尺度的研究表明,日照時數的減少和地面風速的下降導致了黃河流域蒸發皿蒸發量的下降［7-9］。

對蒸發皿蒸發量變化趨勢及其主導因素的認識普遍是基于氣象站蒸發皿蒸發量得出。與水文站蒸發皿蒸發量相比,氣象站蒸發皿蒸發量及其相關因子的觀測記錄完整、觀測期較長且易獲得,因此相關研究相對較多。水文站蒸發皿蒸發量與氣象站蒸發皿蒸發量的差異,主要受蒸發皿水體與周圍環境所構成的非均勻性氣象條件控制。水文站蒸發量的觀測,旨在探索水文站所在流域的水面蒸發量及流域蒸發能力的變化規律；氣象站蒸發量的觀測,是為城市天氣預報、氣候分析、科學研究和氣象服務提供重要依據。二者在應用目的層面上的不同導向,使得蒸發量觀測儀器的布設存在一定差異:水文站蒸發皿多位于流域溝道,反映其所在流域的潛在蒸發能力；而氣象站則布設在開闊的城鎮郊區,反映城市及其周邊區域的氣象要素特征。

黃河流域干旱與半干旱地區占大部分,長期面臨生態環境脆弱、水資源短缺等問題［10］。對黃河流域蒸發皿蒸發量的定性分析和定量評估,有助于黃河流域生態保護和高質量發展。黃河是中國北方的重要淡水資源,河川徑流量占全國2%,承載了全國15%的耕地面積、15%的人口和14%的GDP,是中國最重要的流域之一［11］?，F有關于黃河流域蒸發皿蒸發量空間格局及其主控因素的研究未充分考慮水文站蒸發皿蒸發量,難以綜合反映流域蒸發的變化趨勢及規律。因此,本文對比分析了黃河流域水文站和氣象站蒸發皿蒸發量的差異、變化趨勢及其空間格局,闡明了影響流域蒸發皿蒸發量的氣象因素,以期深入了解黃河流域氣候變化、水文循環過程,為黃河流域生態保護和高質量發展提供重要參考依據。

1 材料與方法

1.1 研究區概況

黃河發源于青藏高原巴顏喀拉山北麓,流經青海、四川、甘肅、寧夏、內蒙古、山西、陜西、河南、山東九省(區),于山東省東營市注入渤海,全長約5 464 km,是中國第二長河。黃河流域處于東經96°—119°、北緯32°—42°之間,流域面積約79.5 萬km2,流域地勢總體西高東低(見圖1)。流域主要為干旱、半干旱和半濕潤氣候,是我國氣候變化敏感區之一［12-13］。流域年均氣溫為7.8 ℃,年均降水量為458 mm,年均相對濕度為59.1%,年均風速為2.3 m/s,年均日照時數為2 526.7 h,多年平均潛在蒸發量為943 mm。流域水體面積約為5 343.6 km2［14］,占黃河流域總面積的0.67%。按照水利部區劃標準,將黃河流域劃分為8 個二級水資源區(見圖1 中的Ⅰ～Ⅷ)。

圖1 黃河流域水文站及氣象站分布

1.2 基礎數據

收集整理黃河流域54 個氣象站和51 個水文站(見表1)1975—2018 年的蒸發皿蒸發量資料。氣象站蒸發皿觀測數據來源于國家氣象科學數據中心(http://data.cma.cn/),2005 年前多以20 cm 口徑蒸發皿為主,2005 年后多數站點改為冰期(大致為11 月至翌年3 月)使用20 cm 口徑蒸發皿、非冰期使用E601 型蒸發皿。水文站蒸發皿觀測數據來自《黃河流域水文資料》；水面蒸發量監測多為冰期使用20 cm 口徑蒸發皿、非冰期使用E601 型蒸發皿,部分站非冰期使用80 cm 口徑蒸發皿。

表1 選取水文站及氣象站信息

水文站觀測資料在20 世紀90 年代和21 世紀初未正式發布,為確保觀測時間的一致性,本研究選取了代表性好和連續性一致的1975—1989 年、2007—2018年的觀測記錄。依據全國第三次水資源調查評價技術要求,以E601 型蒸發皿蒸發量為標準,對不同口徑蒸發皿蒸發量值進行折算。對不同型號蒸發皿觀測重疊時段進行回歸分析［15］,折算公式如下:

式中:EE601為E601 型蒸發皿觀測數據；E20為20 cm 口徑蒸發皿觀測數據；a、b為回歸分析所得的常數項。

基于折算公式,計算得到E601 型蒸發皿的蒸發量數據。80 cm 口徑蒸發皿蒸發量與E601 型蒸發皿轉換時亦采用此方法。

同時收集整理了1975—2018 年黃河流域55 個國家基本氣象站與水面蒸發相關的主要氣象要素數據集,包括日平均氣溫(0.1 ℃)、日平均風速(0.1 m/s)、日平均相對濕度(0.1%)、日照時數(0.1 h),用于分析影響蒸發皿蒸發量的主控因素。

1.3 研究方法

(1)Mann-Kendall 趨勢分析。Mann-Kendall(MK)檢驗用于分析蒸發皿蒸發量的年際變化趨勢,該方法在氣象水文學中得到廣泛應用。公式如下:

式中:S為判別統計量；xk、xi為連續的數據變量；n為數據資料時間長度。

若統計量Z大于0 則數據序列呈上升趨勢,Z小于0 則數據序列呈下降趨勢,當｜Z｜≥1.96 時表明變化趨勢顯著。

(2)Spearman 秩相關分析。Spearman 秩相關分析用于檢驗蒸發皿蒸發量與氣象要素因子之間的相關性,該方法為非參數檢驗法,用于衡量兩個變量的依賴性,在水文和氣象序列變化趨勢的評估中廣泛運用。公式如下:

式中:ρ為相關系數；di為秩次差；Xi為時序1～n按序列數據值從小到大排列的序號；Yi為對應時間排列序號；N為數據序列長度。

2 結果與分析

2.1 黃河流域蒸發皿蒸發量及其空間分布特征

黃河流域蒸發皿蒸發量統計特征值見表2?；跉庀笳菊舭l皿觀測資料,黃河流域整體年均蒸發皿蒸發量為1 021.0 mm,變化范圍為681.0～1 322.5 mm；基于水文站蒸發皿觀測資料,黃河流域整體年均蒸發皿蒸發量為866.2 mm,變化范圍為589.9～1 254.9 mm。與氣象站蒸發皿蒸發量相比,水文站蒸發皿蒸發量偏低,平均低15.2%。

表2 黃河流域蒸發皿蒸發量統計特征值

黃河流域各分區年均蒸發皿蒸發量空間分布如圖2所示。氣象站蒸發皿蒸發量與水文站蒸發皿蒸發量在空間分布格局上相對一致,但水文站蒸發皿蒸發量普遍低于相鄰的氣象站。Ⅰ區、Ⅱ區蒸發皿蒸發量相對較小,Ⅲ區、Ⅳ區蒸發皿蒸發量相對較大。Ⅰ區氣象站、水文站蒸發皿蒸發量平均值分別為814.3、691.5 mm。Ⅱ區蒸發皿蒸發量比Ⅰ區略高,氣象站、水文站蒸發皿蒸發量平均值分別為841.8、739.0 mm。Ⅲ區氣象站蒸發皿蒸發量平均值達1 140.2 mm、水文站達1 046.0 mm；Ⅳ區蒸發皿蒸發量平均值達1 239.0 mm。Ⅴ區、Ⅵ區、Ⅶ區蒸發皿蒸發量比Ⅰ區、Ⅱ區偏高,比Ⅲ區、Ⅳ區偏低。Ⅴ區、Ⅵ區、Ⅶ區氣象站蒸發皿蒸發量平均值分別為1 142.0、983.5、999.7 mm,水文站蒸發皿蒸發量平均值分別為933.2、904.4、840.5 mm。Ⅷ區與中游地區較為接近,氣象站蒸發皿蒸發量平均值為1 009.9 mm,水文站蒸發皿蒸發量平均值為860.1 mm。

圖2 黃河流域年均蒸發皿蒸發量空間分布

2.2 黃河流域蒸發皿蒸發量年際變化特征

黃河流域氣象站和水文站蒸發皿蒸發量的年際變化過程(見圖3)表明,黃河流域整體年均蒸發皿蒸發量呈顯著下降趨勢,氣象站的蒸發皿蒸發量以-1.2 mm/a的變化率顯著下降(檢驗值P＜0.05),水文站蒸發皿蒸發量變化率為-1.9 mm/a(P＜0.05)。

圖3 黃河流域及各分區蒸發皿蒸發量年際變化過程

黃河流域8 個分區的蒸發皿蒸發量的年際變化趨勢表明,Ⅰ區、Ⅱ區、Ⅲ區、Ⅴ區、Ⅶ區、Ⅷ區氣象站蒸發皿蒸發量與水文站蒸發皿蒸發量變化趨勢基本保持一致,其年際變化具有較強同步性。

黃河上游Ⅰ區、Ⅱ區氣象站蒸發皿蒸發量與水文站蒸發皿蒸發量均呈上升趨勢。Ⅰ區氣象站蒸發皿蒸發量變化率為1.9 mm/a,在P＜0.05 水平上呈顯著上升趨勢,水文站蒸發皿蒸發量變化率為1.2 mm/a,但在P＝0.05 水平上變化不顯著。Ⅱ區氣象站、水文站蒸發皿蒸發量的變化率分別為2.9、2.1 mm/a,在P＜0.05水平上均呈顯著上升趨勢。

Ⅲ區氣象站蒸發皿蒸發量與水文站蒸發皿蒸發量變化率分別為-0.5、-1.3 mm/a,變化趨勢均不顯著。

Ⅳ區、Ⅴ區、Ⅶ區、Ⅷ區氣象站蒸發皿蒸發量與水文站蒸發皿蒸發量在P＜0.05 水平上均呈顯著下降趨勢。Ⅳ區氣象站蒸發皿蒸發量變化率為-3.1 mm/a(P＜0.05)。Ⅴ區氣象站蒸發皿蒸發量變化率為-1.9 mm/a(P＜0.05),水文站的變化率為-3.9 mm/a(P＜0.05)。Ⅶ區氣象站蒸發皿蒸發量變化率為-3.2 mm/a(P＜0.05),水文站的變化率為-4.2 mm/a(P＜0.05)。Ⅷ區氣象站蒸發皿蒸發量呈顯著下降趨勢(-3.4 mm/a,P＜0.05),水文站在P＝0.14 水平上呈下降趨勢。

Ⅵ區氣象站蒸發皿蒸發量與水文站蒸發皿蒸發量變化趨勢不同。氣象站蒸發皿蒸發量變化率為1.7 mm/a,在P＝0.05 水平上變化趨勢不顯著,而水文站蒸發皿蒸發量變化率為-2.2 mm/a,在P＜0.05 水平上呈顯著下降趨勢。Ⅵ區包含渭河及汾河兩個流域,渭河流域氣象站蒸發皿蒸發量呈上升趨勢,水文站蒸發皿蒸發量呈下降趨勢；而汾河流域水文站蒸發皿蒸發量呈下降趨勢,氣象站蒸發皿蒸發量呈上升趨勢。

基于M-K 趨勢分析結果,黃河流域1975—2018年蒸發皿蒸發量變化趨勢的空間分布如圖4 所示。流域內氣象站蒸發皿蒸發量和水文站蒸發皿蒸發量年際變化趨勢的空間分布格局相似,表現為Ⅰ區、Ⅱ區呈上升趨勢,Ⅴ區、Ⅶ區以及Ⅷ區呈下降趨勢。氣象站蒸發皿蒸發量在Ⅳ區呈下降趨勢,在Ⅵ區主要呈上升趨勢；水文站蒸發皿蒸發量在Ⅲ區以及Ⅵ區主要呈下降趨勢。

圖4 黃河流域蒸發皿蒸發量變化趨勢空間分布

2.3 黃河流域蒸發皿蒸發量影響因子分析

黃河流域各分區氣象因子變化趨勢見表3,流域內年均氣溫均呈顯著上升趨勢；相對濕度以及風速均呈下降趨勢；除Ⅰ區日照時數增加外,其他分區日照時數均呈減少趨勢。

表3 黃河流域各分區氣象因子變化趨勢

黃河流域氣象因子與蒸發皿蒸發量的Spearman秩相關系數(見表4)表明,流域上游蒸發皿蒸發量與氣溫、相對濕度和日照時數相關性較強,流域中下游主要受日照時數、相對濕度和風速的影響。

表4 各分區蒸發皿蒸發量與氣象因子Spearman 秩相關系數

Ⅰ區、Ⅱ區氣象站和水文站蒸發皿蒸發量與氣溫呈顯著正相關,與相對濕度呈顯著負相關,均通過P＝0.05 顯著性檢驗。Ⅰ區、Ⅱ區氣溫上升和相對濕度下降引起蒸發皿蒸發量的上升,這2 個區域不存在“蒸發悖論”現象。Ⅲ區、Ⅴ區氣象站蒸發皿蒸發量與日照時數和相對濕度具有較強的相關性,均通過P＝0.01顯著性檢驗；水文站蒸發皿蒸發量與日照時數和風速相關性較強。Ⅶ區氣象站和水文站蒸發皿蒸發量與日照時數和風速具有較強的正相關關系。Ⅷ區氣象站和水文站蒸發皿蒸發量主要受控于風速和日照時數。黃河流域中下游地區氣溫與蒸發皿蒸發量的相關性較低且不顯著,日照時數的減少和風速的降低是中下游地區蒸發皿蒸發量呈下降趨勢的主要原因。

Ⅵ區氣象站和水文站蒸發皿蒸發量變化趨勢和主控因子不同。氣象站蒸發皿蒸發量與相對濕度、氣溫和日照時數相關性較好,均通過P＝0.01 顯著性檢驗,相關性由高到低分別為相對濕度＞氣溫＞日照時數；而水文站蒸發皿蒸發量與日照時數、風速和相對濕度具有較強的相關性,與日照時數和風速相關關系通過P＝0.01顯著性檢驗,與相對濕度的相關關系通過P＝0.05 顯著性檢驗。

3 討論

氣候變化和人類活動對黃河流域的蒸發過程產生了重要影響,但大多數研究將氣象站蒸發皿蒸發量作為基礎,以此反映黃河流域的蒸發格局及其變化規律,忽略了水文站蒸發皿蒸發量的重要參考價值。氣象站蒸發皿蒸發量與水文站蒸發皿蒸發量盡管在變化趨勢上基本保持一致,但在絕對量上存在顯著差異。本研究發現黃河流域水文站蒸發皿蒸發量比氣象站蒸發皿蒸發量顯著偏低,多年平均蒸發量低154.8 mm,平均低15.2%。為驗證這種差異并非是人為計算因素(回歸計算)造成的,本文選擇了相同時段水文站和氣象站使用的同一水面蒸發測量儀器進行驗證,但由于水文站和氣象站選用觀測設備客觀因素的限制,因此選取1975—1989 年、2014—2018 年均使用20 cm 口徑蒸發皿進行觀測的水文站及氣象站,其中Ⅱ區選取水文站5 個、氣象站5 個,Ⅵ區選取水文站14 個、氣象站14個；同時也分別選取2008—2014 年(每年4—9 月)、2014—2018 年(每年4—10 月)均使用E601 型蒸發皿進行觀測的水文站及氣象站,其中Ⅲ區選取水文站6個、氣象站7 個,Ⅴ區選取水文站6 個、氣象站6 個(見圖5)。選用的水文站和氣象站數量基本相同,且在區域內均勻分布。

圖5 水文站和氣象站分布

如圖6 所示,相同觀測儀器下,水文站蒸發皿蒸發量均低于氣象站蒸發皿蒸發量,低14.2%～20.5%。1975—1989 年,Ⅱ區內水文站20 cm 口徑蒸發皿多年平均蒸發量(1 093.6 mm)比氣象站20 cm 口徑蒸發皿(1 274.8 mm)低14.2%；2014—2018 年,Ⅵ區內水文站20 cm 口徑蒸發皿多年平均蒸發量(1 352.2 mm)比氣象站20 cm 口徑蒸發皿(1 588.6 mm)低14.9%。2008—2014 年(每年4—9 月),Ⅲ區內水文站E601 型蒸發皿多年平均蒸發量(720.8 mm)比氣象站E601 型蒸發皿(906.2 mm)低20.5%；2014—2018 年(每年4—10月),Ⅴ區內水文站E601 型蒸發皿多年平均蒸發量(661.1 mm)比氣象站E601 型蒸發皿(789.3 mm)低16.2%。水文站蒸發皿蒸發量與氣象站蒸發皿蒸發量變化趨勢基本一致,但存在絕對量上的差異,這種差異與自然環境因素存在一定關系,兩類站在應用目的層面上的不同導向,使得蒸發量觀測儀器的布設存在一定差異。

圖6 蒸發皿蒸發量年際變化趨勢

關于黃河流域蒸發皿蒸發量的變化趨勢已開展大量研究,結果表明:在全球氣候變暖的背景下,黃河流域年均蒸發皿蒸發量呈下降趨勢,該流域存在“蒸發悖論”現象［16-18］。本研究發現,隨氣溫的上升,黃河流域蒸發皿蒸發量并非全流域性地下降,“蒸發悖論”主要存在于流域中下游,而氣象站和水文站蒸發皿蒸發量都表明在Ⅰ區、Ⅱ區氣溫上升與蒸發皿蒸發量變化趨勢一致。本研究認為存在這種差異的主要原因是驅動黃河流域蒸發皿蒸發量變化的主控因素不同。Ⅰ區、Ⅱ區相對濕度的下降和氣溫的上升引起了蒸發皿蒸發量的上升,而黃河中下游地區風速的下降和日照時數的減小是蒸發皿蒸發量減小的主要原因。

相對濕度常用于表征大氣干燥度,一定程度上決定了蒸發過程的水汽輸送條件。譚云娟［19］研究指出,氣候變暖與降水量下降引起了黃河流域干燥度的上升,流域內暖干化趨勢加劇。Wang 等［20］的研究進一步表明,黃河流域蒸發過程對相對濕度的敏感性較強,相對濕度的下降會引起蒸發量的上升。風速下降導致氣流交換速度變慢,蒸發面的水汽不易被帶到大氣中,是黃河中下游蒸發皿蒸發量下降的一個重要原因。近幾十年,包括黃河流域在內的中國大部分地區,地面風速呈下降趨勢［21-22］,而城市化的發展導致地表粗糙度增加、阻力增大,進一步削弱了近地表風速［23-24］。蒸發過程所需的能量主要來源于太陽輻射［25］,日照時數的減少是黃河流域中下游蒸發皿蒸發量下降的另一主控因素。徐宗學等［26］研究認為,近幾十年,黃河流域日照時數總體呈下降趨勢,黃河流域中下游地區尤為明顯。日照時數的減少可能與大氣污染物排放所引起的氣溶膠光學厚度增加有關［27］。此外,風速的減弱,不利于空氣中污染物的擴散,使得空氣污染加重。因此,黃河流域蒸發皿蒸發量受控于各種氣象因子,蒸發皿蒸發量變化對氣溫的響應不能忽視其他氣象因子對蒸發皿蒸發量的協同作用。

4 結論

本文分析了黃河流域1975—2018 年水文站和氣象站蒸發皿蒸發量的差異、變化趨勢與空間格局,并采用Spearman 秩相關方法揭示了蒸發皿蒸發量變化的主控因子,得到如下結論。

(1)黃河流域水文站蒸發皿蒸發量普遍低于相鄰的氣象站。1975—2018 年水文站多年平均蒸發皿蒸發量為866.2 mm,氣象站多年平均蒸發皿蒸發量為1 021.0 mm,水文站蒸發皿蒸發量比氣象站平均低15.2%。

(2)黃河流域氣象站蒸發皿蒸發量與水文站蒸發皿蒸發量的空間分布格局相對一致。黃河上游龍羊峽以上區間(Ⅰ區)、龍羊峽至蘭州區間(Ⅱ區)蒸發皿蒸發量較小,蘭州至頭道拐區間(Ⅲ區)、內流區(Ⅳ區)蒸發皿蒸發量較大,其他中下游各分區蒸發皿蒸發量較為接近,介于以上兩者之間。

(3)黃河流域1975—2018 年整體年均蒸發皿蒸發量呈顯著下降趨勢,氣象站蒸發皿蒸發量的變化率為-1.2 mm/a,水文站蒸發皿蒸發量的變化率為-1.9 mm/a。氣象站和水文站蒸發皿蒸發量并非全流域性地下降。黃河上游龍羊峽以上區間(Ⅰ區)、龍羊峽至蘭州區間(Ⅱ區)主要呈上升趨勢,流域中下游主要呈下降趨勢。

(4)影響黃河流域蒸發皿蒸發量變化的主控因素不同。黃河上游龍羊峽以上區間(Ⅰ區)、龍羊峽至蘭州區間(Ⅱ區)氣溫上升和相對濕度下降引起蒸發皿蒸發量的上升,而日照時數的減少和風速的降低是中下游地區蒸發皿蒸發量呈下降趨勢的主要原因。